Autokalibrace čidel CO₂

Princip měření

Hlavní součásti měřicího prvku jsou tyto:

• infračervená dioda
• měřicí komůrka
• filtr, který odstraní všechny vlnové délky kromě té, která je pohlcována molekulami CO₂
• detektor IR záření
• vyhodnocovací elektronika.

Výstupem bývá analogový signál (obvykle v podobě PWM) nebo jednoduchý komunikační protokol, který periodicky poskytuje naměřenou hodnotu přímo v ppm (parts per million) CO₂. Připomeňme, že venkovní vzduch obsahuje cca. 400 ppm CO₂, pod tuto hodnotu by tedy naměřená koncentrace v místnosti neměla nikdy klesnout. Při běžném provozu koncentrace stoupá na 1000 až 1500 ppm, ve velmi vydýchaném vzduchu můžeme naměřit 4000 ppm i více. Běžně používaná čidla tedy mají rozsah 0...2000 ppm nebo 0...5000 ppm, někdy přepínatelný. Výstupní signál z měřicího prvku je pak dále zpracováván a převáděn na výstupní signál čidla, zpravidla 0...10 V, 4...20 mA nebo komunikační sběrnici.

Vlivem mechanického namáhání (zejména při dopravě a montáži), změn tepelných poměrů a stárnutí součástek se výstupní signál v čase postupně mění a přesnost čidla se snižuje, hodnota „ujíždí“. Proto čidla vyžadují pravidelnou kalibraci. Na následujícím obrázku vidíme dvě nezkalibrovaná čidla různých výrobců (a s různými měřicími prvky), instalovaná ve stejném prostoru. Během 12 měsíců se rozdíl jejich aktuálních hodnot zvýšil z původních 80 ppm na současných asi 300 ppm, jak je vidět na grafu. Černá křivka dlouhodobě ujíždí směrem dolů, červená směrem nahoru (což není na tomto grafu vidět, ten ukazuje jen krátký úsek ke konci celého zkoumaného období). Správně by se měly nejnižší naměřené hodnoty obou křivek blížit zeshora k linii 400 ppm.

Obr. Dvě čidla CO₂ různých výrobců, nezkalibrovaný stav

Kalibrace

Součástí kalibračního procesu je vystavení čidla vzduchu se známým obsahem CO₂. Použití kalibračních plynů s definovaným složením je v praxi obtížné až nemyslitelné, proto se využívá známé koncentrace cca. 400 ppm CO₂ve venkovním vzduchu. Ruční kalibrace u čidel s analogovým výstupem se většinou spouští kalibračním tlačítkem. Může tedy probíhat přibližně takto:

• čidlo se vystaví venkovnímu vzduchu (o známé koncentraci)
• tlačítkem se aktivuje kalibrační proces
• čidlo indikuje ukončení kalibračního procesu pomocí LED nebo jiným způsobem.

Problém je mimo jiné v tom, že při manipulaci s čidlem při kalibraci může vlivem otřesů vzápětí dojít k rozkalibrování. I z tohoto důvodu se snažíme využívat funkcí automatické kalibrace, kterou čidla nabízejí.

Autokalibrace

Autokalibrační proces je naprogramován ve firmware řídicího procesoru. Čidlo hledá nejnižší hodnotu, které bylo vystaveno během určité doby, a předpokládá, že jde o venkovní vzduch se známou koncentrací CO₂, podrobnější popis viz např. [1]. Typická kalibrační doba je 8 dní, aby byl zaznamenán i víkend, kdy se předpokládá, že budova často není obsazená a koncentrace CO₂ v interiéru se po 4-8 hodinách dostane na venkovní hodnoty, ať už ventilací nebo přirozenou infiltrací netěsnostmi. Nejnižší naměřené hodnotě je přiřazena úroveň 400 ppm. Tomuto algoritmu se říká ABC (Automatic Background Calibration) a jeho implementace se může u různých výrobců čidel mírně lišit.

Firma Senseair používá interval 7.5 dne. Nejnižší naměřené hodnotě v tomto období je přiřazeno 400 ppm. Maximální velikost korekce je omezena na 30 ppm týdně. Viz též [2].

U čidel S+S Regeltechnik je vyžadován nepřetržitý provoz (čidlo pod napětím) po dobu nejméně 24 hodin, aby byl autokalibrační proces vůbec proveden. Během této doby by měla koncentrace CO₂ alespoň jednou klesnout na úroveň venkovního vzduchu. Kalibrace je úplná, pokud je během 21 dnů provozu čidlo vystaveno venkovnímu vzduchu minimálně čtyřikrát. Při uvádění do provozu se pro rychlejší adaptaci doporučuje provést kalibraci manuální, což ovšem vyžaduje přítomnost čerstvého vzduchu v prostoru.

Čidlo Domat UT090 (výstup 0...10 V) sleduje minimální hodnotu v intervalu 8 dní. Minimální náměr je aktualizován průběžně. Algoritmus je tedy velmi podobný předchozímu případu.

Komunikativní čidla Domat UI90x obsahují měřicí prvek T-100C firmy ELT Sensor Corp., který umí spouštět automatickou kalibraci [3] po prvních 2 dnech po zapnutí a pak každých 7 dní. V těchto čidlech je ale pro univerzálnější použití autokalibrace i manuální kalibrace implementována v nadřazeném procesoru: po dobu 200 h po přivedení napájecího napětí se měří minimální úroveň signálu a té se pak přiřadí hodnota 400 ppm. Korekce se uloží do paměti EEPROM a proces se opakuje. Pro případ manuální kalibrace lze zapisovat přes Modbusový registr přímo korekci tak, aby součet korekce a výstupu měřicího prvku dal na sběrnici správnou výstupní hodnotu čidla. To umožňuje korigovat čidlo podle referenčního (přenosného) měřiče, i bez přivedení venkovního vzduchu.

Autokalibrace ABCLogic firmy Thermokon zanamenává nejnižší hodnotu během 24 hodin a na teoretickou venkovní hodnotu 400 ppm kalibruje senzor po 2 týdnech.

Kdy autokalibrace nefunguje

Výše uvedený postup ztrácí smysl v případech, kdy nejsme schopni zaručit občasné zaplavení čidla venkovním vzduchem. Týká se to například skleníků, místností se zvláštním režimem, prostorů se vzduchotechnikami vybavenými rekuperací se směšováním (pokud nejsou vybaveny provětrávacím algoritmem), ale i čidel kvality instalovaných v odtahovém potrubí. Pak je třeba autokalibraci vypnout a použít ruční kalibraci.

Servis a údržba

Může se stát, že čidlo je provozováno několik let bez jakékoli kalibrace. Jaký to má vliv na funkci řízené vzduchotechniky? Velmi záleží na tom, jak vypadá řízená technologie a regulační algoritmus. U dvoustavového spínání větrání může při ujetí hodnoty dojít k tomu, že jednotka po vyvětrání nevypne, resp. bude odstavena až podle časového programu (je-li implementován a správně nastaven). Při spojitě řízených systémech (VAV) znamená rozkalibrované čidlo buď zbytečně vysokou spotřebu energie, nebo nevyhovující klima v místnosti. I proto je nutné dlouhodobě vyhodnocovat nejen měřené hodnoty čidel, ale i chování jimi řízených technologií. Při servisních prohlídkách je pak vhodné kontrolovat nejen historicky naměřené hodnoty, ale i aktuální náměr čidla a nastavený měřicí rozsah.

V nastavení řídicího systému pak kontrolujeme zejména požadované hodnoty CO₂ v prostoru a velikosti hystereze v regulátorech. V neposlední řadě je dobré ověřit, že regulační charakteristika odpovídá zamýšlené funkci: na obou obrázcích je „požadovaná hodnota CO₂“ 800 ppm, v prvním případě ale regulátor při této hodnotě zapíná („je dosaženo kritického znečištění“) a v druhém vypíná („byla dosažena požadovaná čistota vzduchu“). Hystereze (Xp = 300 ppm) je pro regulaci kvality vzduchu tak velká, aby zařízení nespínalo příliš často.

Obr. Požadovaná hodnota CO₂ v systému se nastavuje pro zapnutí nebo pro vypnutí ventilace?

U nastavení podle horního obrázku ale může trvat příliš dlouho, než je místnost na takto nízkou hladinu (500 ppm) vyvětrána, neboť průběh snižování hladiny CO₂ je exponenciální; v krajním případě při rozkalibrovaném čidle vůbec nemusí měřená hodnota pod úroveň 500 ppm klesnout.

Správně zkalibrovaná a udržovaná čidla CO₂ jsou proto podmínkou pro efektivní a úsporný provoz zařízení.

1. https://www.cidla.cz/wp-content/uploads/2016/06/an-Autocalibration-function-en-V2-110517.pdf
2. https://senseair.com/knowledge/sensor-technology/technology/senseair-abc-algorithm/
3. http://www.eltsensor.co.kr/en/news/?uid=24&mod=document